冻融土壤结构的形成

最后更新于2022年11月14日星期一|冻土

所伴随的广泛的物理化学和物理机械过程冻结和解冻导致土壤的结构发生了相当大的变化有机无机骨架，表现为结构元素(原生颗粒、矿物和有机矿物团聚体)的大小、形状、关系和方向的变化。在冷冻过程中，结构元件的尺寸会增大或减小。降低是分散效应的结果，增加是凝固和聚集引起的。

当地面在负低温(约- 40至- 60°C)下迅速冻结，并且没有水迁移时，结晶中心的生成和冰晶的生长产生了颗粒和团聚体的解体过程。主要是矿物骨架的大颗粒和团聚体(砂和粗粉尘组分)被强烈分解，比较小尺寸的结构元素更不均匀，具有更多的缺陷(图4.6a)。当冻结温度较高时(高于- 30°C)，团聚体的扩大大于破坏。例如，对于冻结至- 30°C后的多矿物砂-粘土材料，与冻结至- 60°C时一样，粗粉质和砂质团聚体的含量增加，但这是较小结构元素聚集的结果(图4.6b)。因此，水的相变强度和持续时间对粒度组成的变化方向很重要，即强度较低可能导致团聚体内的水向成冰中心迁移，并改善矿物元素塑性重排的条件，从而促进它们通过凝固和聚集相互靠近和增大。快速相变只引起沿矿物边界的破碎和更细的晶粒尺寸。

在水向结晶锋运移的情况下，冻土结构转变的主导作用是物质向冻结区运移、分离冰层形成和生长过程中土体的分化和变形以及地面未冻结部分的脱水和收缩。在这一过程中，结构的重建涉及到大量的压实和矿物骨架的加强，这在一般情况下激发了更大的土壤强度冰的形成-水泥附着力尤其突出。在b

图4.6。粘性土粒度组成的变化(来自小颗粒分析的微分曲线):a, b -重粉质粘土在t = - 60°C和- 30°C时的全面冻结;c -以Na+为主的冻结多矿物粘土;d -相同，Ca2+和Mg2+;e,f-分别在0.05和1 MPa荷载作用下，融化多矿物粘土固结。1 -初始状态;2 -冷冻后;3 -解冻后。颗粒重量含量用分数表示，纵坐标表示，颗粒大小用横坐标表示。

冻结土的非冻结脱水区同时发生结构单元的脱水，因为它们相互接近并形成更大的团聚体和块体。孔隙度降低，矿物骨架致密化;同时，颗粒和团聚体沿迁移流方向重新定向并形成裂隙状孔隙(图4.7)。骨料和块体的大小受脱水程度和强度以及变形和收缩应力的特征和发展程度的控制。结构分选的形状主要取决于成土粘土矿物的矿物组成和结晶化学特征。

: 图4.7。冻结边界(a)未冻结脱水区和隆起冻结区(b)冻结高岭石粘土的矿物骨架微观结构。

在富粘土的冻结部分(即在相变显著的区域)，被重构的不是初始的未冻结土壤结构，而是由于未冻结部分的脱水和收缩而已经发生变化的结构。当温度下降时，大孔隙中的水被冻结和冰晶的生长导致起伏矿物骨架和土壤质量的分化(当分离的冰微观和宏观层形成时)。虽然冰的胶结作用使土壤的强度大大提高，但矿物骨架的结构变得松散。相变过程通常伴随着土体块体和团聚体的局部破碎和重新定向，但团聚体内部基本(初始)颗粒的方向通常保持不变。由于冰包裹体的生长，主要是在大孔隙和结构边界处，孔隙保持其狭缝形状并扩大(图4.8)。在进一步冻结(温度下降)的过程中，水在较小的团聚体内部和颗粒间孔隙中发生相变，从而导致土壤颗粒解体，并使其在团聚体和土壤块内迷失方向。因此，冻土具有与冻结前相似的无序结构(在从未冻结的土地中)。

冷冻过程中定量的微观结构变化，总体上是组成和初始结构的结果。矿物成分决定了冻结时出现的结构裂缝的形状。由于蒙脱土在物理化学过程和冻结过程的作用下更容易变形，这些过程显示了最初的骨架基质微结构向湍流的转变

: 图4.8。冻结多矿粘土未冻结脱水区矿物颗粒和团聚体的垂直方向(与水的迁移流平行)。

一个甚至在适度脱水和变形的条件下，远离冻结面土壤的未冻结部分。

构成刚性结构元素的高岭石颗粒的晶体化学结构特征，控制了其在成冰区破碎的可能性，以及在分离冰生长过程中基面沿矿物和冰层边界的重新定向。冻结前的初始晶粒尺寸和矿物组成通过影响土壤水分交换、成冰和脱水的强度，决定了冻结土壤结构形成过程的程度。在细粒(粘土)土中，结构的形成更为明显，并随着初始粒度的增大而减少。化学成分对冻土结构的形成和粒度变化方向也有同样重要的影响。在含有Na离子的粘土中，在深度脱水条件下(由低温冻结或缓慢冻结过程中剧烈的水交换引起)，主要过程是结构元素的凝固和聚集。然而，含有多价阳离子(Ca2+和Mg2+)的粘土的冻结伴随着沿结构分离的分散(图4.6c,d)。

3床

图4.9。冻土中冰水泥的基本类型:a -基型，b -孔型;C -膜;D -触点;1 -土壤颗粒、团聚体;2 -冰水泥;3 -部分孔隙无冰和水。

结构形成的差异是由于初始状态(冻结前)含钠土壤中粘土-胶体物质含量较高，导致物理-化学过程表现更活跃，主要是土壤中局部水交换的发展，从而导致矿物组合不连续处的显著脱水。

如果压实土中的水交换在低含水量时受到阻碍，则可以观察到结构单元的解体。相反，在相对松散的饱和土中，混凝和团聚作用占主导地位。

冰作为一种结构元素在冻土中的形成，从根本上改变了初始(未冻结)结构。由此产生的低温微结构是未冻土层的初始组成和结构以及冻结条件共同作用的结果。碎屑土和砂土微观结构的典型特征是冰水泥的存在，它将原先松散的土壤粘结成固体。在砂土中，根据初始含水量的不同，可以形成几种类型的冰水泥;例如，袖带(接触)型、膜状(地壳)型以及多孔型和基型冰水泥(图4.9)。粘土(富粘土和细粉砂、粘土)的低温微结构与冻土的宏观结构(块状、层状、网状和胞状)相似。随着细度的增加，冰微层的厚度和频率都在增加(图4.10)。

不同孔隙溶液和交换配合物化学组成的土壤低温微结构形成的具体特征，首先表现在矿物骨架的聚集和水的相组成的变化上。盐渍化砂土的微观结构表现出较高的未冻水含量和一种新的结构元素，即盐晶体，从孔隙溶液中析出，与矿物骨架粘结，从而形成一种新的接触类型，即结晶型。结构形成过程很多

图4.10。土壤低温微结构基本类型:a -块状;B -透镜状;C -层压;D -网格;1冰;2 -土壤颗粒。

: 图4.11。冻结粉质粘土的微观结构，饱和(a) Na+和(b) Ca2 +。1 -冰;2个土壤颗粒。

在粘土中更为复杂，而且发生了离子交换;这些过程，考虑到盐的性质，导致矿物骨架的聚集或分散。

当交换配合物中含有多价阳离子的粘土冻结时，分离微冰形成强度增大，并出现层状低温微结构。在单价阳离子饱和的土壤中，会产生方向混乱的不连续薄冰微纹影(图4.11)。

低温微结构的形成不仅受到土壤初始化学-矿物成分、分散性、水分含量和密度的影响，而且在很大程度上还受到冻结条件的影响(冻结速度、温度梯度、供水与否等)。例如，在细粒土中，随着冻结速率的增加，冰微层的厚度和它们之间的距离会减小，冰水泥夹杂物的平均大小及其晶体的大小也会减小。在矿物块体和集料内部，微观结构的不均匀性从集料中心向外围增加。在缓慢冻结过程中，团聚体获得更均匀的微观结构，尽管观察到更明显的分化为纯矿物区域(没有冰夹杂物)，冰含量较高的区域也是如此。后一种效应可能是由水分/冰含量的局部再分配引起的(图4.12)。

在解冻过程中，冻土的结构也发生了变化。根据迄今为止的少量实验数据，我们可以假设，在大多数情况下，特别是在土壤的快速融化期间，总的趋势是较大元素的解体。融化伴随着较弱的结构纽带，较弱的强度和更大的透水性。这表现在较小的(到十分之一或更少)的聚集系数

图4.12。由于局部水的再分配，冻结粉质粘土中冰和矿物颗粒的分化:1 -冰和冰冻地区;2 -土壤颗粒。

在含冰量较低的致密土壤中表现最为明显。例如，对冻结前固结的融化土在0.05和1 MPa荷载作用下的团聚体变化分析表明，在相对低含水量和高密度的土壤融化过程中，微团聚体组成的变化程度大于低密度和高水/冰含量的样品(见图4.6e,f)。在这种情况下，土壤结构元素的转变主要是指在大的粗(沙土和沙尘)组分的结构分离过程中融化和较小组分的增加。这一过程最终使高密度土壤结构分离的平均统计尺寸在多矿物粘土土中减少了13.8个/¿m，在重质砂质粘土中减少了3.3个/¿m。在水分/冰含量较高的低密度样品中，解冻过程仅使粘土团聚体的平均尺寸减小了1 /¿m，减小了0.3 /。¿m在沙壤土。疏松和致密融化土中结构元素解体的这种差异是由于在过致密的样品中，细水膜的楔入活动更强烈。

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